Методическое пособие 286

На этапе разработки структурной схемы ориентировочное число каскадов может быть выбрано из соображений реализуемости на практике коэффициента усиления по напряжению отдельного каскада УНЧ. При этом исходят из предпосылки, что выходной каскад УНЧ, выполненный по схеме двухтактного общего коллектора, имеет коэффициент усиления по напряжению, близкий к единице. Поэтому общий коэффициент усиления всего УНЧ по напряжению формируется только каскадами предварительного усиления. Хотя теоретически реализуемый коэффициент усиления по напряжению отдельного усилительного каскада может достигать величины 3000…7500 раз для транзисторов n-p-n типа и 1500…5500 раз для транзисторов p-n-p типа, типичное значение коэффициентов усиления (без использования набора схемотехнических приемов, повышающих значения коэффициентов усиления каскада) обычно не превышает 50…100 раз. В большинстве случаев для реализации ТЗ этого значения может оказаться недостаточно.

Коэффициент усиления УНЧ по напряжению определяется не только уровнем выходной мощности и уровнем напряжения источника входного сигнала, но и способностью УНЧ обеспечить заданный коэффициент частотных искажений при максимальной выходной мощности.

После расчета всех каскадов и достижения минимально необходимого коэффициента усиления разрабатываемого УНЧ следует составить полную принципиальную схему усилителя, в которую необходимо добавить цепи общей обратной отрицательной связи (ООС) [5,17-19] и элементы, ответственные за режим работы всего усилителя по постоянному току. Руководствоваться при этом необходимо принципами работы с операционными усилителями (ОУ) [4-7,14], упрощенно считая, что разработанная в КП принципиальная схема усилителя есть внутренняя схема некоторого специфического ОУ (рис. 14), у которого достигнуты признаки идеального ОУ: достаточно малый входной ток (у идеального ОУ он равен нулю), малое выходное сопротивление (у идеального ОУ оно равно нулю) и разница потенциалов между инвертирующим и неинвертиру-

19

ющим входами при замкнутой ООС равна нулю [10,14]. Для того чтобы правильно замкнуть обратную связь в разработанной принципиальной схеме следует определить тип входа (инвертирующий или неинвертирующий). Надо учитывать и тот фактор, что входное сопротивление усилителя с введенной общей ООС зависит от варианта включения усилителя (в инвертирующем включении оно значительно меньше).

Рис. 14. Пример структурной схемы УНЧ с ОУ

Резисторы цепи общей ООС определяют не только коэффициент усиления схемы после введения обратной связи, но и режим работы всего в целом усилителя по постоянному току. Так как через резисторы ООС протекает определенный базовый ток транзисторов входного дифференциального каскада (в этом и состоит отличие реального ОУ от идеального), то на них появляется падение напряжения, величина которого может превысить некоторый предел, вследствие чего на выходе усилителя появляется дисбаланс напряжения (при правильно спроектированной схеме на выходе усилителя должен быть потенциал, равный «земляному» в схемах с двуполярным питанием, или точно соответствующий половине питания в схемах с однополярным питанием). Поэтому сопротивления цепи ООС стараются сделать минимальными, что в некоторых случаях может привести к нежелательному эффекту – уменьшению входного сопротивления усилителя. Компромиссом является выбор падения напряжения на резисторах под действием базового тока – не более 0,1 В.

После рассмотрения вариантов структурной схемы можно приступать к уточненному расчету усилителя.

20

транзисторов не совпадают, поэтому некоторая асимметрия суммарной характеристики будет наблюдаться и полного подавления четных гармоник не произойдет.

Одновременно при рассмотрении варианта схемы выходного каскада следует обращать внимание на способ (а также схему) формирования (стабилизации) рабочей точки транзисторов оконечного каскада. В выполняемом курсовом проекте схема УНЧ должна обеспечивать режим работы транзисторов в классе АВ или В.

Взавершение расчетной части КП после расчета и составления полной принципиальной схемы усилителя необходимо провести проверку полученных параметров разработанного устройства на предмет выполнения требований ТЗ. Конечно, лучший способ проверки – собрать практически макет устройства и исследовать его параметры с помощью приборов. Однако современные средства схемотехнического моделирования на ЭВМ позволяют проектировать, анализировать и корректировать схемотехнику разработанного усилителя без производства опытного образца. На сегодняшний день существует множество программ, позволяющих осуществить моделирова-

ние: MicroCap, Alpac, CircuitMaker, Electronics Workbench, OrCAD и другие.

2.3.Расчет усилителя

Вкурсовом проектировании для моделирования УНЧ рекомендуется использовать редактор Electronics Workbench.

Electronics Workbench – отличается от других программ схемотехнического моделирования пользовательским интерфейсом. Источники входных сигналов и измерительные приборы изображаются на экране дисплея с максимальным приближением к реальности. Пользователь освобождается от составления заданий на моделирование. В рабочем окне размещаются генераторы сигналов и двухканальный осциллограф, подсоединяемые к необходимым узлам моделируемой электронной схемы – и программа анализирует переходные про-

22

цессы. Если же к схеме подключать анализатор частотных характеристик, то будут рассчитан режим по постоянному току, выполнена линеаризация нелинейных компонентов в рабочей точке и проведен расчет характеристик схемы в частотной области. Диапазон анализируемых частот, коэффициент усиления и характер развертки по оси частот (в линейном или логарифмическом масштабе) устанавливаются с помощью органов управления на лицевой панели приборов посредством манипулятора мышь. Для выполнения моделирования достаточно щелкнуть выключателем. После этого на индикаторах цифровых вольтметров и амперметров будет зафиксирован режим по постоянному току, на экране измерителя отображены частотные характеристики, а на экране осциллографа будут непрерывно изображаться эпюры напряжений до тех пор, пока не будет заполнена буферная память. Моделирование можно прекратить или продолжить, обнулив буферную память.

Исходя из режимов работы выходного каскада все усилители условно разделены на несколько классов: класс А, класс В, «смешанный» класс АВ, класс C, класс D..

Усилитель класса А. Работает в линейном режиме: оба транзистора работают в одинаковых режимах. Это обеспечивает минимум искажений, но вследствие этого – низкий КПД (15-30%), т.е. данный класс неэкономичный в смысле расходования энергии и нагрева. Потребляемая мощность не зависит от величины выходной мощности.

Усилитель класса В. К этому классу в основном относятся усилители с выходными транзисторами одинаковой проводимости. Каждый из транзисторов работает в ключевом режиме, т.е. усиливает только свою полуволну сигнала в линейном режиме (например, положительную, если применены транзисторы с n-p-n проводимостью). Для того чтобы усиливалась и отрицательная полуволна сигнала применяется фазоинветор еще на одном транзисторе. Это похоже на два отдельных класса А (для каждой полуволны свой). У усилителя такого класса высокий КПД (порядка 70%). Потребляемая мощность усилителя пропорциональна выходной мощности, при отсут-

23

ствии сигнала на входе она равна нулю. Усилители такого класса редко встречаются среди современных усилителей.

Усилитель класса AB. Наиболее распространенный вид усилителей. Большинство Hi-Fi усилителей принадлежат именно этому промежуточному классу. В этом классе объединены качества усилителей А и В класса, т.е. высокий КПД класса B и низкий уровень нелинейных искажений класса А. Здесь используется угол отсечки более 90 градусов, т.е. рабочая точка выбирается в начале линейного участка вольтамперной характеристики. За счет этого при отсутствии сигнала на входе усилительные элементы не запираются, и через них протекает некоторый ток (так называемый «ток покоя»), иногда значительный. И здесь возникает необходимость в регулировке и стабилизации этого тока таким образом, чтобы транзисторы работали в одинаковых режимах, не перегружая друг друга. Неправильная установка тока покоя приведет к перегреву транзисторов и выходу их из строя.

Таким образом, для выходного каскада существуют два очень важных параметра (и особенно для класса АВ): ток покоя и напряжение покоя.

Ток покоя – это коллекторный ток, проходящий через транзисторы оконечного (выходного) каскада при отсутствии сигнала.

Если бы транзисторы имели идеальную характеристику (чего на самом деле не бывает), то ток покоя можно было бы считать равным нулю. Реально же ток коллектора может увеличиваться как из-за разброса характеристик транзисторов, так и от их температуры. Более того, повышение температуры может привести к лавинообразному перегреву и тепловому пробою транзистора. Дело в том, что при увеличении температуры ток коллектора только увеличивается, а следовательно возрастает и нагрев транзистора.

Напряжение покоя – постоянное напряжение в точке соединения транзисторов (выход на нагрузку). Оно должно быть равно «0» при двухполярном питании выходного каскада или половине напряжения питания при однополярном пита-

24

нии. Другими словами: оба транзистора выходного каскада должны иметь одинаковое базовое смещение, то есть открыты равномерно, компенсируя друг друга.

Класс С. Усилители этого класса имеют КПД равный почти 75%, что делает их очень эффективными, но с увеличением КПД резко увеличиваются искажения. Эти усилители не подходят для усиления звука в Hi-Fi аудиосистемах.

Класс D. Это самый современный класс усилителей, применяющих цифровую обработку сигнала. Усилители D класса очень компактные.

Класс усилителя, транзисторы и способы их включения, схему каскада и режим работы выбирают в основном из условий обеспечения заданных мощности и КПД при допустимых линейных и частотных искажениях. При выборе предварительной схемы усилителя необходимо принимать во внимание то, что оконечные каскады могут быть собраны по однотактной и двухтактной схеме.

Однотактная схема позволяет сэкономить один транзистор и получить достаточно малый коэффициент гармоник 2–7%, однако она работает только в классе А и теоретически не может дать КПД выше 50%. Для обеспечения наибольшего значения КПД усилительные элементы должны работать в классах AB, B или D. Двухтактная схема, работающая в классе В, теоретически может обеспечить КПД до 78%, при этом минимальный коэффициент гармоник равен 6–10%. Двухтактный каскад в режиме АВ обеспечивает меньшие нелинейные искажения, чем в классе В, но имеет меньший КПД. Управляющие устройства усилителя класса D существенно сложнее предварительных каскадов линейного усилителя. Кроме того, в заданиях по курсовому проекту мощность, отдаваемая в нагрузку, сравнительно невелика.

В качестве основного варианта в техническом проекте следует рассматривать режим работы усилителя класса AB. При этом усилитель мощности необходимо строить по двухтактной схеме, позволяющей избежать искажения формы входного сигнала при сохранении высокого значения КПД.

25

Для обеспечения малых линейных и частотных искажений транзисторы в плечах двухтактного усилителя необходимо подбирать так, чтобы они составляли комплементарные пары или, в крайнем случае, их граничные частоты и коэффициенты усиления отличались не более чем на 20%.

Воконечных каскадах транзисторы могут быть включены любым из трех известных способов (ОБ, ОЭ, ОК).

Схема с ОБ позволяет получить наименьшие нелинейные искажения, но сравнительно малое усиление по мощности. Параметры каскадов в этом случае мало зависят от температуры окружающей среды и замены транзисторов, поэтому в двухтактных схемах при включении транзисторов с общей базой коэффициенты усиления транзисторов могут отличаться до 30%.

Схема с ОЭ обеспечивает наибольшее усиление, но зато вносит сравнительно большие нелинейные искажения.

Схема с ОК обеспечивает примерно такое же усиление, как схема с ОБ, и несколько меньшие нелинейные искажения, чем схема с ОЭ. Входное сопротивление каскада оказывается самым высоким. Параметры каскада в этом случае зависят от изменения температуры окружающей среды и замены транзисторов.

Вразрабатываемом УНЧ следует использовать гальванические межкаскадные связи.

Вкачестве предварительного суммирующего усилителя целесообразно применять интегральные операционные усилители, обладающие большим коэффициентом усиления, значительным входным и относительно малым выходным сопротивлениями, а также обеспечивающих легкость суммирования сигналов. Поскольку операционные усилители способны отдавать в нагрузку достаточно небольшой ток, как правило, существенно меньший единиц ампера и напряжение 10–15 В, то усилитель мощности должен обеспечить согласование операционного усилителя с нагрузкой.

26

Число каскадов усиления зависит от тока нагрузки, определенного техническим заданием, и выбранным типом операционного усилителя.

Ориентировочно требуемое число каскадов усилителя мощности можно оценить по коэффициенту усиления УНЧ. Например, как было показано выше,

Kобщ дБ = 20lg K1 K2…Kп = 20lg K1 +

+20lg K2 + … +20lg Kп = K1 дБ + …+ Kп дБ,

иесли каскады с одинаковым усилением, то

где K1 – коэффициент усиления одного каскада; либо по формуле [17]:

где Ki к – коэффициент передачи тока одного транзисторного каскада. Обычно для расчета принимают Ki к = 10…30.

Как правило, микросхемы достаточно маломощны и способны отдавать в нагрузку ток в пределах 5–10 мА, поэтому проектируемый усилитель мощности должен быть двухтрех каскадным.

27

2.4. Пример анализа технического задания

Входные данные: Pн = 12 Вт; f = (10 – 20) 103; Uп = 32 В; Rвх = 50 кОм; Mн = Mв = √2; η = 50%. Uвх = 40 мВ

Рассчитаем коэффициент усиления УНЧ. Входная мощность Pвх:

Требуемый коэффициент усиления по мощности УНЧ:

Потребляемая мощность – 24 Вт.

Из анализа технического задания следует, что на выходе УНЧ должен стоять мощный выходной каскад. В качестве выходного каскада целесообразно выбрать двухтактный бестрансформаторный усилительный каскад, работающий в режиме В. Данный режим обеспечивает каскаду хорошую экономичность благодаря высокому КПД. Отсутствие трансформатора обеспечивает низкие нелинейные искажения. Двухтактный бестрансформаторный каскад, выполненный на мощных транзисторах может обеспечить усиление до 30 дБ.

В качестве входного каскада выберем инвертирующий усилитель на интегральном операционном усилителе. Данный каскад может обеспечить усиление до 60 и более децибел в зависимости от типа применяемой микросхемы. К тому же инвертирующий каскад на ОУ позволяет изменять входное сопротивление всего усилителя в широком диапазоне.

Благодаря хорошим усилительным возможностям входного и выходного каскадов нет необходимости в применении дополнительных промежуточных усилительных каскадов. Для

28